Es difícil de creer que puedas jugar al billar con neutrinos, pero ciertos eventos de interacción de neutrinos están más cerca del juego de lo que crees.

En estas interacciones cuasielásticas de corriente cargada, interacciones CCQE, para abreviar, un neutrino golpea una partícula en el núcleo de un átomo, un protón o un neutrón. Dos partículas emergen de la colisión. Uno es un muón un primo más pesado del electrón. El otro es un protón (si la partícula estacionaria es un neutrón) o un neutrón (si la partícula estacionaria es un protón).

Las interacciones de neutrinos que resultan de estas reacciones cuasielásticas son como las colisiones entre bolas en un juego de billar:puede adivinar la energía del neutrino entrante midiendo la dirección y energía de solo una de las partículas salientes, siempre que conozca los tipos de las cuatro partículas que estaban en la interacción en primer lugar y la dirección original del neutrino.

Las interacciones CCQE son un modo de interacción importante de los neutrinos en los experimentos actuales y futuros de oscilación de neutrinos. como el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos, alojado por Fermilab.

Son similares a las interacciones elásticas que todo jugador de billar conoce, excepto en una forma importante:la fuerza nuclear débil permite que las partículas cambien de un tipo a otro, de ahí el nombre "cuasielástico". En este juego de billar subatómico, la bola blanca (neutrino) golpea una bola roja estacionaria (protón), que emerge de la colisión como una bola naranja (neutrón).

Dado que la mayoría de los experimentos de neutrinos modernos utilizan objetivos hechos de núcleos pesados ​​que van desde el carbono hasta el argón, Los efectos nucleares y las correlaciones entre los neutrones y protones dentro del núcleo pueden causar cambios significativos en las tasas de interacción observadas y modificaciones en la energía neutrino estimada.

En MINERvA, Los científicos identifican las interacciones CCQE por una larga pista de muones que queda en el detector de partículas y potencialmente una o más pistas de protones. Sin embargo, esta firma experimental a veces puede ser producida por interacciones no CCQE debido a efectos nucleares dentro del núcleo objetivo. Similar, Los efectos nucleares también pueden modificar las partículas en estado final para hacer que un evento CCQE parezca un evento no CCQE y viceversa.

Dado que los efectos nucleares pueden dificultar la identificación de un verdadero evento CCQE, MINERvA informa mediciones basadas únicamente en las propiedades de las partículas en estado final y las llama eventos similares a CCQE (ya que tendrán contribuciones de eventos CCQE verdaderos y no CCQE). Un evento similar a CCQE es uno que tiene al menos un muón saliente, cualquier número de protones o neutrones, y sin mesones como partículas en estado final. (Mesones, como protones y neutrones, están hechos de quarks. Los protones y neutrones tienen tres quarks; los mesones tienen dos.)

MINERvA ha medido la probabilidad de interacciones de neutrinos similares a CCQE utilizando el haz de neutrinos de energía media de Fermilab, con el flujo de neutrinos alcanzando un máximo de 6 GeV. En comparación con las mediciones anteriores de MINERvA, que se realizaron con un haz de baja energía (flujo de neutrinos de pico de 3 GeV), esta medición tiene la ventaja de un alcance energético más amplio y estadísticas mucho mayores:1, 318, 540 eventos similares a CCQE en comparación con 109, 275 eventos en carreras anteriores de baja energía.

MINERvA hizo estas mediciones de probabilidad de interacción CCQE como una función del cuadrado del momento transferido por el neutrino al núcleo, que los científicos denotan como Q2. El gráfico muestra discrepancias entre los datos y la mayoría de las predicciones en las regiones de Q2 bajo y Q2 alto. Comparando la medición de MINERvA con varios modelos, los científicos pueden perfeccionarlos y explicar mejor la física dentro del entorno nuclear.

MINERvA también ha realizado mediciones más detalladas de la probabilidad de interacción de neutrinos basándose en el impulso del muón saliente. Tienen en cuenta el impulso del muón tanto en la dirección de la trayectoria del neutrino entrante como en la dirección perpendicular a su trayectoria. Este trabajo ayuda a los experimentos de neutrinos actuales y futuros a comprender sus propios datos sobre una amplia gama de cinemática de muones.

Mateus Carneiro, anteriormente del Centro Brasileño de Investigación en Física y de la Universidad Estatal de Oregon y ahora en el Laboratorio Nacional Brookhaven, y Dan Ruterbories de la Universidad de Rochester fueron los principales impulsores de este análisis. Los resultados fueron publicados en Cartas de revisión física .